厦门石浔水闸安全鉴定若干问题探讨

王淑勤

(福建省厦门市汀溪水库管理处，厦门 361100)

文章编号：1006—2610(2015)02—0027—04

厦门石浔水闸安全鉴定若干问题探讨

王淑勤

(福建省厦门市汀溪水库管理处，厦门 361100)

石浔水闸系厦门市第二大水闸，通过对水闸各专项内容的计算分析论证，安全鉴定石浔水闸为三类水闸。阐述水闸安全鉴定过程中存在的一些主要难点和关键点，着重检测水闸的泄流能力、消能防冲、渗流稳定、闸底板结构探测、混凝土结构等几个方面，以保证水闸的安全运行。

石浔水闸；安全鉴定；探讨

石浔水闸建成于1985年，位于厦门市东西溪石浔支流下游侧，是一座兼具排洪挡潮、灌溉养殖、城市景观、交通等综合效益的中型水闸，系厦门市的第二大水闸，为Ⅲ等工程，主要建筑物等级为3级。原防洪标准为：设计水位(P=5%)为4.90 m(黄零，下同)，相应的洪峰流量870 m3/s，正常水位为4.20 m，规划正常水位为4.60 m。

石浔水闸共计25孔，其中先启孔7孔(位于中部)，后启孔18孔，每孔净宽4 m，采用钢筋混凝土闸门。水闸闸室长10.3 m，顶高程为6.2 m，先启孔闸底板高程为1.2 m，后启孔闸底板高程为1.7 m，是M10浆砌条石结构。闸底板上游侧设有1道齿墙，齿墙底宽1.0 m，深2.3 m，齿墙下设有2 m深板桩。闸墩为M10浆砌条石结构，墩厚1.2 m、长10 m，墩头为半圆形，闸墩顶高程为5.0 m。内港工作桥高程为5.50 m。交通桥设在外港侧，桥面高程为6.45 m，桥面宽4.0 m。交通桥设计载重车辆为农用小型车。启闭房设在14及15号闸孔上游侧，采用钢筋混凝土框架M10浆砌条石砌筑。下游消能防冲设施包括消力池、护坦、海漫以及防冲槽，其中消力池长10 m、深1.2 m、底板厚0.5 m，采用M10浆砌条石砌筑，护坦长9 m，C15细骨料混凝土砌筑厚25 cm，海漫全长20 m，M7.5浆砌条石砌筑，防冲槽深2 m、顶宽17.5 m。详见图1。

1 安全鉴定工作概况

该水闸具有以下几个特点，给安全鉴定工作带来了较大的难度。一是运行了近30年，人事变动大，基本资料丢失缺乏；二是建设标准偏低，目前灌区功能改变，防洪挡潮要求提高；三是老化失修，安全隐患多，运行中工程和设施破损得不到及时修复；四是水闸承受双向水头，内港水位4.60 m，外海平均潮水位为2.44 m，常年水位高低变化不定。针对以上特点，采取了以下措施：① 对水闸结构尺寸进行全面测量，掌握水闸的基本尺寸和现状；② 进行地质勘探，提供完整的地质报告；③ 采用探地雷达及超声波物探技术对浆砌石底板和下伏地层进行探测；④ 详细的混凝土结构检测和机电设备检查。

图1 水闸剖面图和上游立视图 单位：高程，m；其它，mm

2 泄流能力复核

2.1 防洪标准的确定

根据水闸工程等级分类，过闸流量在100～1 000 m3/s之间为Ⅲ等工程，即中型水闸，主要建筑物等级为3级，其相应的防洪标准为：设计标准为20～30年一遇，校核标准为50～100年一遇。同时该水闸属厦门市东西溪流域石浔支流防洪(潮)工程的一部分，根据已经通过审定《厦门市同安中心区域防洪排涝工程规划报告》，石浔支流近期设计防洪标准为20年一遇，远期设计防洪标准为50年一遇。根据SL265-2001《水闸设计规范》第2.21条规定：平原区水闸的洪水标准应根据所在河流流域防洪规定的防洪任务，以近期防洪目标为主，并考虑远景发展要求，综合分析确定。经综合分析石浔水闸的防洪标准选用：设计标准为20年一遇，校核标准为50年一遇。

2.2 设计洪水计算

由于东西溪流域汀溪支流上游设有五丰、造水水文站，两站实测流量资料系列均较短，且控制流域面积小，由实测流量资料推求设计洪水的精度受到限制，东西溪干流属小流域，因此设计洪水采用暴雨资料进行推求，并采用地区综合法进行合理性分析。经过分析比较采用暴雨资料推求的洪峰流量比地区综合法所推求的大，因此从偏安全出发，本次鉴定选用暴雨资料推求的洪峰流量。

2.3 设计高潮位分析

根据工程需要及现有潮位资料，本次鉴定的潮位资料以厦门东坑潮位站资料为主，结合鼓浪屿潮位站资料进行分析。在对东坑与鼓浪屿两站潮汐性质的相似性分析后，可知东坑与鼓浪屿两站潮汐性质具有较好的相似性，两站同步实测高潮位相关系数为0.997 6，低潮位性相关系数为0.997 3，可采用短期同步差比法计算设计高潮位，计算成果为：20年一遇设计高潮位4.43 m，50年一遇设计高潮位4.61 m。

2.4 闸前水位推求

河道水面线计算的河道糙率参照天然糙率表选取，并用调查洪水位复核，计算的河道糙率0.025。东西溪的洪水常常受到海潮的顶托影响，该流域的洪水汇入东海域，下游洪水位受潮位影响，本次规划起始水位采用东坑站的设计潮位，多年平均、20年、50年一遇设计潮位分别为3.91、4.43和4.61 m。

水面线采用伯努利能量方程进行推求，东西溪合流段20年一遇、50年一遇洪水洪峰流量分别为2 217和2 770 m3/s，浦声支流、石浔支流过水流量通过试算求得，即两支流分流口及汇合口水位应相等，水面线计算时，以两溪汇合口作为起始断面，浦声支流、石浔支流流量之和为东西溪合流段流量，假设浦声支流、石浔支流流量分别推算两支流至分流口的水面线，检验两支流在分流口(合1+667 m)的水位是否一致，如果水位相同，证明两支流的分流比合理；否则，重新假定计算，直至分流口的水位相同为止。经分析计算，石浔支流流量20年一遇为968 m3/s；50年一遇为1 232 m3/s；由于东西溪汇合口下游属感潮河段，故采用福建省通行的洪潮组合方法(即设计洪水遭遇多年平均年最高潮位与2年一遇洪水遭遇设计高潮位)进行水面线计算，取上包线作为采用成果。水闸上下游水位分析结果见表1。

表1 石浔水闸上下游水位计算成果表 /m

2.5 泄流能力复核

3 消能防冲复核

水闸的消能防冲问题最为突出。厦门95%以上的水闸都存在消能设施损坏问题，其中比较突出的就是石浔水闸，已经发生多次下游消能防冲设施冲刷破坏，如2009年7月14日受热带低压影响，同安普降暴雨，石浔水闸在开闸排洪后出现较严重险情，海漫被掏刷、塌陷2处，后经采取紧急处置措施，共投入272万元抢险加固才转危为安。

石浔水闸下游消能防冲设施包括消力池、护坦、海漫以及防冲槽，由于各种消能工形式都有其一定范围的水力条件，很难有一种消能措施能适应各级水位、流量和任意的闸门开启方式。上下游的防冲保护设计受控于闸门敞开泄洪工况，而消力池的设计受控于小流量、小开度、低水位工况。因此水闸消能防冲计算采用2种工况进行复核。

(1) 第1种工况。在上游为正常水位4.60 m时，以开启7扇先启孔闸门，各开度(即按0.2 m为一个量级分级开启，从0.2 m直至2.2 m以上)对应下游水位取前一级开度时的过闸流量所对应的下游水位，求出跃后水深与下游水深之差值最大时所对应的闸门开度作为控制工况。经计算消力池长度均大于10.0 m，消力池抗冲厚度需要0.50～0.60 m，海漫长度在开启度大于0.60 m后的计算长度均大于20 m，出流方式均为闸孔出流。而消力池实际长度(10 m)、海漫长度(20 m)以及底板实际厚度(0.50 m)均不满足理论计算要求。

(2) 第2种工况。当在上游为设计洪水位4.92 m以及校核洪水位5.41 m时，考虑25扇闸门全开，下游水位稳定后作为控制工况。经计算消力池长度为15.6和16.6 m，消力池抗冲厚度需要0.60和0.70 m，海漫长度为32.73 m 和36.94 m，出流方式均为堰顶溢流。而消力池实际长度(10 m)、海漫长度(20 m)以及底板实际厚度(0.50 m)均不满足理论计算要求。

根据复核成果分析，现有的消能防冲设施尺寸、结构不能满足理论计算要求，结合下游海漫、防冲槽等消能防冲设施经常水毁的事实，可以认为现有的消能防冲设施不能满足工程要求，因此消能防冲评定为C级。建议完善水闸下游消能防冲设施。

4 渗流稳定复核

石浔水闸上游设铺盖10 m，为黏土铺盖，铺盖上游侧及闸室上游侧各设1道深约2.0 m的松木板桩(本次抗渗稳定复核按松木板桩失效最不利工况计算，铺盖因只有少量沉降基本完好按有效计算)，水闸未设防渗墙，下游消力池也未设排水孔。本次安全鉴定采用改进阻力系数法和二维有限元法对闸基的抗渗稳定性进行复核。

计算工况选取2个最不利工况：① 上游水位为正常水位4.60 m，下游为历年最低潮位-3.45 m;② 上游水位为校核水位5.41 m，下游为历年最低潮位-3.45 m。

由以上2种方法计算成果显示：在2种工况下，在考虑松木板桩失效的情况下，采用改进阻力系数法计算的水平段渗透坡降介于0.10～0.12之间，出口段渗透坡降介于0.316～0.395之间；采用二维有限元法计算的水平段渗透坡降介于0.117～0.166之间，出口段渗透坡降在0.352左右。2种计算方法的成果相近，也相互验证了成果，计算成果均小于允许渗透坡降，满足SL265-2001《水闸设计规范》要求，因此说明即使板桩失效，闸室渗流稳定仍然满足要求。另外根据水闸管理单位多年的观察，未发现水闸及消力池底板因渗流而产生破坏现象，本次安全鉴定通过采用探地雷达探测及现场摸查的方法，也未发现闸室及消力池底板有被淘空的现象，因此闸基的抗渗稳定条件基本满足规范要求。闸基的抗渗稳定评定为A级。

5 闸底板结构探测

石浔水闸建成时期较早，水闸底板为厚1.0 m的浆砌条石结构，该底板直接砌筑在强风化岩层或残积土层上，目前所掌握的相应地质资料较缺乏。采用探地雷达及超声波2种物探技术对石浔水闸进行检测，旨在通过无损检测手段了解水闸浆砌条石底板下伏地层是否有脱空(淘空)现象存在，为该水闸的安全性评估和加固提供依据，在福建省多座大中型水闸的安全鉴定上都有应用。

探测使用的仪器为加拿大Softerware & Sensor公司出产的EKKO-100型地质雷达，使用100 MHz天线。利用反射法探测，天线间距为1 m，采样时窗512 ns(纳秒)，测量点距0.25 m。高频电磁波以宽频带短脉冲形式由发射天线送入地下，电磁波在地下传播过程中，遇到不同的电性分界面时，部分电磁波被反射回表面，水和闸底板的上下界面都是一种电性分界面，其反射回的电磁波由接收天线接收后传入中央处理系统记录，再经资料滤波、变换等分析处理就可得出地下介质的结构特征，进而计算出界面深度或病害位置。

根据《水闸安全鉴定规定》规定21～70孔水闸抽样检测的抽样比例为15%～10%，因此共选取7 个闸孔进行抽样检测，分别在先启孔布设13、14、15号3个闸孔，后启孔布设8、9、17、18号4个闸孔。为了更好了解底板下方情况，对闸底板进行检测时，布置了相互垂直的2条测线，一条测线平行流水方向(南北方向)，另一条测线方向为东西方向。

本次雷达探测虽然受闸门漏水、水流过大等因素影响，但从整体来说，达到了探测初期所预想的目的，可以得出结论：该水闸的浆砌条石底板与原始土层间结合较好，闸孔闸室底板正常，无淘空现象。

6 混凝土结构检测

石浔水闸共25孔，该水闸混凝土构件比较少，上部混凝土构件主要有启闭房梁板、内港人行工作桥、闸门以及启闭墩等。

水闸混凝土结构安全检测分为普测和重点抽测2个层次。普测的内容主要有混凝土裂缝和外观缺陷。裂缝情况主要包括裂缝的长度、宽度、走向和数量，重点要判断是否存在贯穿性结构裂缝；外观缺陷主要检查混凝土剥蚀、钢筋锈蚀、保护层开裂脱落等情况。重点抽测主要在普测基础上选择代表性和可能的薄弱部位进行抽样检测，重点检测结构混凝土强度、混凝土碳化、钢筋锈蚀和裂缝深度等。检测的方法：混凝土强度采用钻芯法、超声回弹综合法、回弹法，碳化深度采用混凝土碳化深度测定仪检测。

根据《水闸安全鉴定规定》规定21～70孔水闸抽样检测的抽样比例为15%～10%，因此共选取6 个闸孔进行重点抽样检测，分别在先启孔布设12、14、16号3个闸孔，后启孔布设2、20、24号3个闸孔。

重点抽检结果表明：人行工作桥及闸门梁板混凝土强度均超过300号，能够满足工程要求，混凝土的碳化深度均小于5 mm，小于混凝土保护层厚度。启闭房地面楼板混凝土强度均小于200号，不能满足工程要求。

7 结 语

石浔水闸经综合评定安全类别为三类闸。水闸从建成投入使用至今未进行过全面的安全鉴定评价，经过本次的调查、检测、复核、计算和评价，对水闸有了深入、全面、完整的了解和掌握，对确保石浔水闸的安全运行有极大作用。石浔水闸原设计规模为中型，通过本次安全鉴定，校核过闸流量为1 232 m3/s，达到目前水利工程管理所采用的水闸分级标准1 000 m3/s及以上为大型水闸的标准，因此，建议石浔水闸按大型水闸进行加固和管理。

[1] 福建省宏禹水利水电咨询设计院.厦门市同安区石浔水闸安全鉴定报告[R].厦门，2010.

[2] SL214-98,水闸安全鉴定规定[S].北京：中国水利水电出版社出版，1998.

[3] SL265-2001,水闸设计规范[S].北京：中国水利水电出版社出版，2001.

Study on Issues of Safety Appraisal of Xiamen Shixun Sluice

WANG Shu-qin

(Xiamen Tingxi Reservoir Administration of Fujian Province, Xiamen 361100,China)

Shixun sluice is the second largest one in Xiamen. Through calculation, analysis and demonstration of the special contents of the sluice, it is defined Class III based on the safety appraisal. In the paper, key and important points in the safety appraisal are described. Especially discharge capacity, energy dissipation, scouring prevention ability, seepage stability, detection of base slab structure of the sluice, and concrete structure, etc of the sluice are inspected to secure the safety operation of the sluice.

Shixun sluice; safety appraisal; study

2015-01-28

王淑勤(1975- )，女，福建省同安县人，工程师，从事水利工程管理工作.

TV66

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.008